ورقة بيانات باعث الأشعة تحت الحمراء SMD 930 نانومتر - عبوة 5.0x5.0x1.6 مم - جهد أمامي 2.9 فولت - شدة إشعاعية 480 مللي واط/ستراديان - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تحدد هذه الوثيقة مواصفات مكون باعث الأشعة تحت الحمراء المنفصل عالي القدرة المصمم لتجميع تقنية التركيب السطحي (SMT). الجهاز جزء من مجموعة واسعة من مكونات الأشعة تحت الحمراء المخصصة للتطبيقات التي تتطلب مصادر ضوء تحت أحمر موثوقة وفعالة. وظيفته الأساسية هي إصدار إشعاع تحت أحمر عند طول موجي قمة محدد عند تشغيله كهربائيًا.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لهذا الباعث: خرج إشعاعي عالٍ، وملاءمته للتجميع الآلي للوحات الدوائر المطبوعة نظرًا لعبوته SMD، وخرج طيفي محدد مركز في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة. تم تصميمه ليلبي المعايير الصناعية للامتثال البيئي. التطبيقات المستهدفة هي بشكل أساسي في الإلكترونيات الاستهلاكية والاستشعار الصناعي، حيث تُستخدم إشارات الأشعة تحت الحمراء للاتصال اللاسلكي، أو كشف القرب، أو تشفير البيانات.

2. تحليل متعمق للمعاملات التقنية

توفر الأقسام التالية تفسيرًا موضوعيًا مفصلاً للمعاملات الرئيسية المحددة في ورقة البيانات، موضحة أهميتها لمهندسي التصميم.

2.1 التقييمات القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• تبديد الطاقة (3.8 واط):الحد الأقصى للطاقة التي يمكن للجهاز تبديدها كحرارة عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية. يتجاوز هذا الحد خطر ارتفاع درجة حرارة التقاطع شبه الموصل.
• تيار أمامي ذروي (2 أمبير، 300 نبضة في الثانية، نبضة 10 ميكروثانية):التيار المسموح به الأقصى في التشغيل النبضي. عرض النبضة 10 ميكروثانية و 300 نبضة في الثانية (pps) يحددان دورة عمل محددة. يكون هذا التقييم عادة أعلى من تقييم التيار المستمر بسبب انخفاض تراكم الحرارة أثناء النبضات القصيرة.
• تيار أمامي مستمر (1 أمبير):التيار المستمر الأقصى الذي يمكن تمريره عبر الجهاز في ظل ظروف التيار المستمر. يتطلب التشغيل عند هذا الحد أو بالقرب منه إدارة حرارية دقيقة.
• الجهد العكسي (5 فولت):الحد الأقصى للجهد الذي يمكن تطبيقه في الاتجاه المتحيز عكسيًا. لم يتم تصميم باعثات الأشعة تحت الحمراء للتشغيل العكسي؛ يمكن أن يتسبب تجاوز هذا الجهد في حدوث انهيار.
• المقاومة الحرارية (9 كلفن/واط، من التقاطع إلى وسادة اللحام):معامل حاسم للتصميم الحراري. يشير إلى مقدار ارتفاع درجة حرارة التقاطع لكل واط من الطاقة المبددة. تشير القيمة الأقل إلى انتقال الحرارة بسهولة أكبر من شريحة أشباه الموصلات إلى لوحة الدوائر المطبوعة.
• نطاقات درجة حرارة التشغيل والتخزين:تحدد الحدود البيئية للوظيفة الموثوقة والتخزين غير التشغيلي، على التوالي.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

هذه هي معاملات الأداء النموذجية المقاسة تحت ظروف اختبار محددة (Ta=25°C، IF=500mA ما لم يُذكر خلاف ذلك).

• الشدة الإشعاعية (I_E):480 مللي واط/ستراديان (نموذجي). يقيس هذا الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ستراديان) على طول المحور المركزي للجهاز. إنه مقياس رئيسي لـ "سطوع" مصدر الأشعة تحت الحمراء في حزمة موجهة.
• التدفق الإشعاعي الكلي (Φ_e):700 مللي واط (نموذجي). هذه هي الطاقة البصرية الكلية المنبعثة في جميع الاتجاهات. تتأثر النسبة بين التدفق والشدة بزاوية الرؤية.
• طول موجة الانبعاث الذروي (λ_الذروة):930 نانومتر (نموذجي). الطول الموجي الذي تكون عنده الطاقة البصرية المنبعثة في الحد الأقصى. يجب أن يتطابق هذا مع الحساسية الطيفية لمستقبل الاستشعار (على سبيل المثال، يكون الصمام الثنائي الضوئي السيليكوني أكثر حساسية حول 900-1000 نانومتر).
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):35 نانومتر (نموذجي). عرض النطاق الترددي للطيف المنبعث المقاس عند نصف شدة الذروة. يشير العرض الأضيق إلى مصدر أكثر أحادية اللون.
• الجهد الأمامي (V_F):2.9 فولت (نموذجي) عند 500 مللي أمبير. انخفاض الجهد عبر الجهاز أثناء التشغيل. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة القيادة وحساب استهلاك الطاقة (الطاقة = V_F* I_F).
• التيار العكسي (I_R):< 10 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت. تيار تسرب صغير عندما يكون الجهاز متحيزًا عكسيًا.
• زمن الصعود/الهبوط (T_r/T_f):30 نانوثانية (نموذجي). الوقت المطلوب لتبديل الخرج البصري من 10% إلى 90% من قيمته النهائية (صعود) أو من 90% إلى 10% (هبوط). هذا يحدد أقصى سرعة تضمين لنقل البيانات.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):70° (نموذجي). الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها على المحور. توفر الزاوية الأوسع تغطية أوسع ولكن بشدة أقل في أي اتجاه واحد.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر الرسوم البيانية المقدمة رؤى بصرية لسلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

3.1 التوزيع الطيفي (الشكل 1)

يُظهر المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الذروة عند ~930 نانومتر وعرض النصف البالغ حوالي 35 نانومتر. هذا الشكل مميز لمادة أشباه الموصلات (على الأرجح GaAs أو AlGaAs).

3.2 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 2)

منحنى تخفيض التصنيف هذا ضروري للإدارة الحرارية. يُظهر انخفاض أقصى تيار أمامي مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 85 درجة مئوية، يكون الحد الأقصى للتيار أقل بكثير منه عند 25 درجة مئوية. يجب على المصممين استخدام هذا الرسم البياني لضمان وقوع مجموعة تيار التشغيل ودرجة الحرارة ضمن المنطقة الآمنة.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 3)

هذا هو منحنى خاصية التيار-الجهد (I-V). إنه غير خطي، وهو نموذجي للصمام الثنائي. يسمح المنحنى للمصممين بتحديد V_Fالمتوقع لتيار تشغيل محدد، وهو ضروري لاختيار مقاومة تحديد التيار التسلسلي.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة والتيار (الشكل 4 و 5)

يوضح الشكل 4 كيف تنخفض طاقة الخرج البصري مع ارتفاع درجة حرارة التقاطع (عند تيار ثابت). يُظهر الشكل 5 كيف تزيد طاقة الخرج مع التيار (عند درجة حرارة ثابتة). كلاهما يوضح كفاءة الجهاز المعتمدة على درجة الحرارة. ينخفض الخرج مع ارتفاع درجة الحرارة، وهي ظاهرة شائعة في مصابيح LED.

3.5 مخطط الإشعاع (الشكل 6)

يمثل هذا الرسم القطبي التوزيع المكاني للضوء المنبعث بصريًا. تمثل الدوائر المتحدة المركز الشدة النسبية. يؤكد الرسم زاوية الرؤية البالغة 70° (2θ_1/2)، حيث تنخفض الشدة إلى 0.5 نسبة إلى المركز (1.0). يبدو النمط تقريبًا لامبرتي (توزيع جيب التمام)، وهو شائع لمصابيح LED ذات عدسة قبة بسيطة.

4. معلومات الميكانيكا والتعبئة

4.1 الأبعاد الخارجية

يُحاط الجهاز بغلاف تركيب سطحي بأبعاد تقريبية 5.0 مم في الطول والعرض، و 1.6 مم في الارتفاع. يحدد الرسم موقع العدسة البصرية ووسادات اللحام. التسامحات عادةً ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

4.2 تحديد القطبية

يتم تحديد الكاثود (الطرف السالب) بوضوح في رسم العبوة. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء تخطيط وتجميع لوحة الدوائر المطبوعة لمنع التلف.

4.3 أبعاد وسادة اللحام المقترحة

يتم تقديم توصية بنمط الأرضية لضمان وصلات لحام موثوقة ومحاذاة ميكانيكية صحيحة أثناء لحام إعادة التدفق. يساعد اتباع هذه الأبعاد في منع ظاهرة "شاهد القبر" ويضمن اتصالاً حراريًا جيدًا بلوحة الدوائر المطبوعة لتبديد الحرارة.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ظروف التخزين

الجهاز حساس للرطوبة. يجب تخزين العبوات غير المفتوحة تحت 30 درجة مئوية و 90% رطوبة نسبية. بمجرد فتح الكيس المقاوم للرطوبة، يجب استخدام المكونات في غضون أسبوع أو تخزينها في بيئة جافة (<30 درجة مئوية، <60% رطوبة نسبية). تتطلب المكونات المعرضة للرطوبة المحيطة لأكثر من أسبوع عملية تجفيف (حوالي 60 درجة مئوية لمدة 20 ساعة) قبل إعادة التدفق لمنع تلف "الفرقعة" أثناء اللحام.

5.2 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

يوصى بملف تعريف إعادة تدفق متوافق مع JEDEC. تشمل المعلمات الرئيسية: مرحلة التسخين المسبق (150-200 درجة مئوية، بحد أقصى 120 ثانية)، ودرجة حرارة ذروية لا تتجاوز 260 درجة مئوية، ووقت فوق السائل (TAL) حيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة القصوى لمدة أقصاها 10 ثوانٍ. يركز الملف على التحكم في درجة الحرارة القصوى والوقت الذي يتعرض فيه المكون للحرارة العالية لمنع تلف الغلاف البلاستيكي وشريحة أشباه الموصلات.

5.3 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة مكواة اللحام 300 درجة مئوية، ويجب أن يقتصر وقت التلامس على 3 ثوانٍ لكل وسادة. هذا يقلل من الإجهاد الحراري إلى الحد الأدنى.

5.4 التنظيف

يوصى باستخدام كحول الأيزوبروبيل أو المذيبات القائمة على الكحول المماثلة للتنظيف بعد اللحام. يجب تجنب المواد الكيميائية القاسية أو غير المعروفة لأنها قد تتلف العبوة أو العدسة.

6. التعبئة والتعامل

6.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد المكونات على بكرات قياسية مقاس 13 بوصة، مع 2400 قطعة لكل بكرة. تتوافق أبعاد الشريط والبكرة مع مواصفات ANSI/EIA-481-1-A-1994، مما يضمن التوافق مع آلات الاختيار والوضع الآلية. يتم توحيد اتجاه الكاثود داخل جيوب الشريط.

7. ملاحظات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 تصميم دائرة القيادة

الجهاز هو مكون يعمل بالتيار. للحصول على أداء وطول عمر ثابتين، يجب تشغيله بواسطة مصدر تيار أو عبر مصدر جهد مع مقاومة تحديد تيار تسلسلي. توصي ورقة البيانات بشدة باستخدام مقاومة تسلسلية فردية لكل LED عند توصيل وحدات متعددة على التوازي (نموذج الدائرة أ). لا يُنصح باستخدام مقاومة واحدة لمصفوفة متوازية (نموذج الدائرة ب) بسبب الاختلافات في الجهد الأمامي (V_F) بين مصابيح LED الفردية، مما قد يؤدي إلى اختلال كبير في التيار وعدم انتظام السطوع أو فشل مبكر للجهاز ذي أقل V_F.

7.2 الإدارة الحرارية

نظرًا لتبديد الطاقة (حتى 3.8 واط كحد أقصى) والمقاومة الحرارية (9 كلفن/واط)، فإن تبديد الحرارة الفعال أمر بالغ الأهمية للتشغيل عند تيارات عالية أو درجات حرارة محيطة مرتفعة. المسار الحراري الأساسي هو عبر وسادات اللحام إلى لوحة الدوائر المطبوعة. من الضروري استخدام تخطيط الوسادة الموصى به مع مساحة نحاسية كافية (وسادات تخفيف حرارية) على لوحة الدوائر المطبوعة. بالنسبة للتطبيقات عالية القدرة، قد تكون هناك حاجة إلى ثقوب حرارية إضافية متصلة بمستويات أرضية داخلية أو مشتتات حرارة مخصصة للحفاظ على درجة حرارة التقاطع ضمن الحدود الآمنة، كما هو محدد في منحنى تخفيض التصنيف.

7.3 اعتبارات التصميم البصري

تحدد زاوية الرؤية البالغة 70 درجة انتشار الحزمة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حزمة أضيق، يمكن إضافة بصريات ثانوية (عدسات). يجب إقران الطول الموجي الذروي البالغ 930 نانومتر بمستقبل (صمام ثنائي ضوئي، ترانزستور ضوئي) يتمتع بحساسية عالية في تلك المنطقة الطيفية. العديد من أجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون لديها حساسية ذروية حول 850-950 نانومتر، مما يجعلها متطابقة جيدًا. بالنسبة لتطبيقات التحكم عن بعد، يُستخدم هذا الطول الموجي بشكل شائع لأنه أقل وضوحًا للعين البشرية من 850 نانومتر ولكنه لا يزال يتم اكتشافه بكفاءة بواسطة السيليكون.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بمصابيح LED تحت الحمراء منخفضة القدرة القياسية، يقدم هذا الجهاز شدة إشعاعية أعلى بكثير (480 مللي واط/ستراديان نموذجي)، مما يتيح مدى أطول أو تشغيل في بيئات بصرية أكثر ضوضاءًا. يميز غلاف التركيب السطحي الخاص به عن المتغيرات ذات الثقب، مما يسمح بتجميعات لوحات دوائر مطبوعة أصغر حجمًا وأكثر آلية. وقت الصعود/الهبوط السريع (30 نانوثانية) يجعله مناسبًا لنقل البيانات متوسطة السرعة، وليس فقط إشارات التشغيل/الإيقاف البسيطة. توفر الخصائص الطيفية وزاوية الرؤية المحددة أداءً متسقًا وقابلًا للتنبؤ لتصميم النظام البصري.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعاملات التقنية)

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق 5 فولت؟

ج: لا. يجب عليك استخدام مقاومة تحديد تيار تسلسلي. يتم حساب قيمة المقاومة كـ R = (V_المصدر- V_F) / I_F. على سبيل المثال، مع مصدر 5 فولت، V_F=2.9 فولت، و I_Fمطلوب 100 مللي أمبير، R = (5 - 2.9) / 0.1 = 21 أوم. يجب أيضًا مراعاة تصنيف قدرة المقاومة (P = I²R).

س: ما الفرق بين الشدة الإشعاعية والتدفق الإشعاعي الكلي؟

ج: تقيس الشدة الإشعاعية (مللي واط/ستراديان) الطاقة في اتجاه محدد (مثل سطوع حزمة مصباح يدوي). يقيس التدفق الإشعاعي الكلي (مللي واط) مجموع الطاقة المنبعثة في جميع الاتجاهات (مثل إجمالي إخراج الضوء لمصباح كهربائي). بالنسبة لمصدر اتجاهي، غالبًا ما تكون الشدة هي المقياس الأكثر صلة.

س: كيف أحدد أقصى تيار تشغيل آمن لتطبيقي؟

ج: يجب أن تفكر في كل من الحد الأقصى المطلق للتيار المستمر (1 أمبير) وتخفيض التصنيف الحراري. استخدم الشكل 2. ابحث عن أقصى درجة حرارة محيطة متوقعة على المحور السيني. ارسم خطًا حتى المنحنى، ثم إلى اليسار نحو المحور الصادي للعثور على أقصى تيار مسموح به. يجب أن يكون تيار التشغيل الذي تختاره أقل من هذه القيمة وأقل من الحد الأقصى المطلق 1 أمبير.

س: لماذا يتم تحديد الطول الموجي الذروي بـ 930 نانومتر، لكن وصف الجزء يشير إلى 940 نانومتر؟

ج: يشير وصف الجزء إلى خط المنتج العام الذي يتضمن أجهزة 940 نانومتر. رقم الجزء المحدد هذا (LTE-R38385S-OE8) له طول موجي ذروي نموذجي يبلغ 930 نانومتر وفقًا لمواصفاته التفصيلية. راجع دائمًا ورقة البيانات المحددة للحصول على المعاملات الدقيقة للمكون المطلوب.

10. أمثلة عملية للتصميم والاستخدام

10.1 المثال 1: جهاز إرسال الأشعة تحت الحمراء بعيد المدى

السيناريو:تصميم جهاز إرسال تحت أحمر مقاوم للعوامل الجوية في الهواء الطلق لاتصال البيانات على مسافة تزيد عن 15 مترًا في ظروف النهار.

نهج التصميم:استخدم الشدة الإشعاعية العالية (480 مللي واط/ستراديان) للتغلب على ضوضاء الضوء المحيط. شغل LED عند أو بالقرب من أقصى تيار مستمر له (1 أمبير) للحصول على أقصى خرج، ولكن نفذ استراتيجية إدارة حرارية قوية. استخدم مساحة نحاسية كبيرة على لوحة الدوائر المطبوعة متصلة بالوسادات الحرارية لـ LED، مع ثقوب حرارية متعددة إلى الطبقات الداخلية. فكر في إضافة عدسة موازية بلاستيكية بسيطة لتضييق الحزمة من 70° إلى ~15°، مما يزيد من الشدة على المحور للمدى المطلوب. ستستخدم دائرة القيادة ترانزستور (مثل MOSFET) يتم تبديله بواسطة متحكم دقيق، مع المقاومة التسلسلية المحسوبة لضبط تيار 1 أمبير.

10.2 المثال 2: مصفوفة مستشعر القرب متعددة العناصر

السيناريو:إنشاء حلقة مستشعر قرب مع 8 باعثات تحت الحمراء موضوعة حول مستقبل مركزي.

نهج التصميم:الإضاءة الموحدة هي المفتاح. استخدم نموذج الدائرة الموصى به أ: يحصل كل من مصابيح LED الثمانية على مقاومة تحديد تيار خاصة به متطابقة متصلة بسكة جهد مشتركة. هذا يعوض عن الاختلافات الصغيرة في V_Fبين مصابيح LED. شغل مصابيح LED عند تيار معتدل (مثل 200 مللي أمبير) لموازنة الخرج والحمل الحراري. انبّه المصفوفة بشكل متزامن مع أخذ عينات المستقبل لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء، مستفيدًا من وقت الصعود/الهبوط السريع 30 نانوثانية للحصول على نبضات نظيفة. ستخلق زاوية الرؤية البالغة 70° لكل LED مجال كشف واسع ومتداخل.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

هذا باعث الأشعة تحت الحمراء هو صمام ثنائي شبه موصل. جوهره هو شريحة مصنوعة من مواد مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو زرنيخيد ألومنيوم غاليوم (AlGaAs). عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات عبر التقاطع p-n. عندما تتحد هذه الإلكترونات مع الفجوات في المنطقة النشطة، يتم إطلاق الطاقة في شكل فوتونات (جزيئات ضوء). تحدد طاقة فجوة النطاق المحددة لمادة أشباه الموصلات الطول الموجي (اللون) للضوء المنبعث. بالنسبة لـ GaAs/AlGaAs، تتوافق فجوة النطاق هذه مع الفوتونات في طيف الأشعة تحت الحمراء (عادة 850-940 نانومتر). يغلف الغلاف البلاستيكي الشريحة، ويوفر هيكلًا ميكانيكيًا، ويتضمن عدسة مصبوبة تشكل نمط إشعاع الضوء المنبعث.

12. اتجاهات التكنولوجيا والسياق

باعثات الأشعة تحت الحمراء من هذا النوع هي مكونات ناضجة وموثوقة للغاية. تركز الاتجاهات الحالية في المجال على زيادة كثافة الطاقة والكفاءة (مزيد من إخراج الضوء لكل واط كهربائي)، مما يتيح عبوات أصغر أو عمر بطارية أطول في الأجهزة المحمولة. التكامل هو اتجاه آخر، حيث أصبحت أزواج أو مصفوفات باعث-مستشعر مجمعة شائعة للتعرف على الإيماءات والاستشعار ثلاثي الأبعاد. هناك أيضًا تطور مستمر في توسيع نطاق الطول الموجي لتطبيقات متخصصة مثل استشعار الغاز أو الاتصالات البصرية. تستمر الحركة نحو عبوات التركيب السطحي، كما هو الحال مع هذا المكون، في الهيمنة على التصنيع الآلي عالي الحجم، لتحل محل تصميمات الثقب القديمة. يعكس التركيز على المواصفات الحرارية التفصيلية وملفات تعريف اللحام تركيز الصناعة على الموثوقية والتحكم في العمليات في تجميع الإلكترونيات الحديث.